用于喷射式挖沟机的喷嘴结构及喷嘴组合的研究

摘要

近年来,由于海洋石油事业的蓬勃发展,大量的海底管道需要敷设。水力喷射式开挖海底管沟因其独特的优点而被广泛关注,水力喷射式海底挖沟具有结构简单、挖沟效率高、对土层适应性强等优点。
　　 本文在对水射流技术充分调研的基础上,针对喷射式海底挖沟的重要元件——喷嘴及其所产生的射流,进行数值模拟、室内实验,分析并总结喷嘴形式和喷嘴组合中喷距、压力、两喷嘴间距、两喷嘴夹角、移动速度等参数对压力场的影响规律。以旋转喷嘴和锥形喷嘴及其组合作为研究对象,应用FLUENT软件,对喷嘴间距离为出口直径的2、3、4、5、6、8倍,角度为7、10、15、20、30度的双喷嘴组合分别进行数值模拟。
　　 通过数值模拟揭示了锥形喷嘴射流和旋转射流不同特点,找到了两种喷嘴组合时的射流交叉影响特点。模拟发现,锥形射流等速核长,而旋转射流速度扩展角大。两种喷嘴在某些参数组合下会出现射流的临界交叉状态,例如喷嘴间距4d0,夹角15°时,此时速度衰减较少,冲击面积略微增加,是比较理想的组合参数。如果增大喷嘴间距或是减小夹角,流场之间就没有交叉,这时可以把两流场当作两个独立的流场来看待;反之,流场交叉程度越来越大,冲击面积降低。找到了两种喷嘴在不同间距和不同夹角时的临界参数。每个喷嘴间距都有一个与之相对应的夹角使流场处于临界状态。
　　 利用旋转喷嘴与锥形喷嘴所组成的组合喷嘴在实验条件下进行冲击实验,结果表明,组合射流在破岩深度和破岩体积方面都比单股射流要大,同样的喷距下,组合射流的破岩宽度比单股射流的破岩深度提高1.2倍左右。改变两喷嘴间距或夹角会影响冲击深度。喷嘴间距3.3d0时射流的冲蚀深度要大于间距为6.6d0时的冲击深度。低速时移动射流的冲击深度大于定点冲击的深度,实验条件下的速度范围在0.4mm/s～0.9mm/s是比较合适的。移动速度越快,会导致冲击深度下降,说明冲击深度主要取决于组合中的锥形喷嘴。
　　 实验的结果一定程度上反映了数值模拟的有效性,本研究为水力喷射式海底挖沟机的进一步开发提供了依据。